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External affiliations

  • 東京工業大学 科学技術創成研究院 化学生命科学研究所 教授
  • 東京工業大学 物質理工学院 応用化学系/物質・情報卓越教育院 教授(兼務)
  • 文部科学省 研究振興局 HPCI計画推進委員会 委員

Research

Keywords

Density functional theory, redox reaction, electrochemistry, interface science, battery, catalyst

Society memberships

日本物理学会, 電気化学会, 日本固体イオニクス学会, American Chemical Society, International Society of Electrochemistry

Research Center for Energy and Environmental Materials (GREEN)
Title

エネルギー・環境材料の界面理論・計算科学研究

Keywords

第一原理計算,スーパーコンピュータ,酸化還元反応,電気化学反応,蓄電池

Overview

電池、触媒などのエネルギー・環境デバイスは、電子・ホールとイオンの両者が可動であり、かつそれらが頻繁に電極界面にて電荷授受を行い(時には横切り)、さらにその動きが外部バイアスでコントロールされるという点で、複雑だが大変面白い系であると言える。これらデバイスの開発において、デバイス内材料にて起こっているミクロな現象の理解は不可欠である。先端計測により解明が進められている一方、材料内の埋もれた界面における電子・原子描像はいまだに不明な点が多い。そこで我々は実験に先んじて理論的に提案することを目標に、高精度大規模第一原理計算によるエネルギー・環境材料、特に蓄電池材料における、ミクロなメカニズムの解明を近年進めてきた。

Novelty and originality

蓄電池材料内の界面・イオニクス現象に関する理論・計算技術
界面酸化還元反応の理論・計算技術
「富岳」などのスーパーコンピュータを最大活用した大規模大量第一原理計算技術

Details

image

我々は実験に先んじて理論的に提案をすることを目標に、精度を十分担保しかつ複雑な構造をできるだけそのままモデル化した大規模第一原理計算を行う技術を蓄積してきた。その中で、スーパーコンピュータ「京」「富岳」の高効率利用に向けたコード開発・チューニングも進めてきた。それにより蓄電池内ミクロ現象の最難関ともいえる電極ー電解質界面における電子・イオン移動のメカニズム解析を大きく進めることができた。
特に構造サンプリングが(固液界面に比べても)より困難な固固界面に対して、AI手法の1つである粒子群最適化(PSO)を組み合わせた「ヘテロ界面CALYPSO法」を開発した。これにより出現確率の高い固固界面を効率的に得ることが可能になり、よりリアリスティックな電極ー電解質界面現象を記述できるようになった。これと第一原理計算を組み合わせることで、界面におけるイオン移動や電子状態変化(バンドオフセット)の見える化に成功した。これらをSPring-8等の実験と比較することで、「蓄電固体の界面科学」の理解が大きく進むことが期待できる。我々はまた硫化物・酸化物・有機系固体電解質におけるイオン伝導に関するMD計算研究も積極的に進めている。特に最近は酸化物固体電解質の「粒界」に関する第一原理MDに挑戦し、新たな理論的知見を獲得した。

Summary

我々が高精度大規模第一原理計算で得られた知見は、蓄電池開発においても重要な指針を与えるものとなっている。また、これらの国際的競争力のある計算技術を、企業等へ技術移転することにより我が国の産業競争力強化につなげることも重要であり、現在、課題責任者を務める文部科学省「富岳」成果創出加速プログラムの「富岳」材料物理化学課題においてその取り組みを進めている。今後も蓄電池開発のブレークスルーと蓄電池および界面電気化学の学理の発展を目指して研究を進めていきたい。

この機能は所内限定です。
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